Linux死锁学习（下）

在上一篇博客中介绍了死锁概念提出了一些解决方法，在本文中便会具体介绍解决死锁的办法

鸵鸟算法

传说中鸵鸟看到危险就把头埋在地底下。当你对某一件事情没有一个很好的解决方法时，那就忽略它，就像鸵鸟面对危险时会把它深埋在沙砾中，装作看不到。这样的算法称为“鸵鸟算法“。

在针对死锁问题时：鸵鸟算法就是忽略死锁，不去处理死锁。

鸵鸟算法可以称之为不是办法的办法。在计算机科学中，鸵鸟算法是解决潜在问题的一种方法。假设的前提是，这样的问题出现的概率很低。在操作系统中，为应对死锁问题，可以采用这样的一种办法。如果死锁很长时间才发生一次，而系统每周都会因硬件故障、编译器错误或操作系统错误而崩溃一次，那么大多数工程师不会以性能损失或者易用性损失的代价来消除死锁。大多数操作系统，包括UNIX，MINUX和windows，处理死锁问题的办法仅仅是忽略它。其假设前提是大多数用户宁可在极偶然的情况下发生死锁也不愿接受性能的损失。因为解决死锁的问题，通常代价很大。所以鸵鸟算法，是平衡性能和复杂性而选择的一种方法。

为了让这一对比更具体，考虑如下操作系统：当一个open系统调用因物理设备（例如蓝光驱动器或者打印机）忙而得不到回应的时候，操作系统就会阻塞调用该系统调用的进程。通常是由设备驱动来决定该采取何种措施。

显然，阻塞或者返回一个错误代码是两种选择。如果一个进程成功的打开了蓝光驱动器，而另一个进程成功的打开了打印机，这是每个进程都会试图打开另一个设备，系统会阻塞这种尝试，从而发生死锁。现有系统很少能够检测到这种死锁。

产生资源死锁的必要条件

如果在计算机系统中同时具备下面四个必要条件时，那麽会发生死锁。换句话说，只要下面四个条件有一个不具备，系统就不会出现死锁。

• 互斥条件。即某个资源在一段时间内只能由一个进程占有，不能同时被两个或两个以上的进程占有。这种独占资源如CD-ROM驱动器，打印机等等，必须在占有该资源的进程主动释放它之后，其它进程才能占有该资源。这是由资源本身的属性所决定的。如独木桥就是一种独占资源，两方的人不能同时过桥。

• 不可抢占条件。进程所获得的资源在未使用完毕之前，资源申请者不能强行地从资源占有者手中夺取资源，而只能由该资源的占有者进程自行释放。如过独木桥的人不能强迫对方后退，也不能非法地将对方推下桥，必须是桥上的人自己过桥后空出桥面（即主动释放占有资源），对方的人才能过桥。

• 占有且申请条件。进程至少已经占有一个资源，但又申请新的资源；由于该资源已被另外进程占有，此时该进程阻塞；但是，它在等待新资源之时，仍继续占用已占有的资源。还以过独木桥为例，甲乙两人在桥上相遇。甲走过一段桥面（即占有了一些资源），还需要走其余的桥面（申请新的资源），但那部分桥面被乙占有（乙走过一段桥面）。甲过不去，前进不能，又不后退；乙也处于同样的状况。

• 循环等待条件。存在一个进程等待序列{P1，P2，…，Pn}，其中P1等待P2所占有的某一资源，P2等待P3所占有的某一源，……，而Pn等待P1所占有的的某一资源，形成一个进程循环等待环。就像前面的过独木桥问题，甲等待乙占有的桥面，而乙又等待甲占有的桥面，从而彼此循环等待。

  上面我们提到的这四个条件在死锁时会同时发生。也就是说，只要有一个必要条件不满足，则死锁就可以排除。

死锁的预防

前面介绍了死锁发生时的四个必要条件，只要破坏这四个必要条件中的任意一个条件，死锁就不会发生。这就为我们解决死锁问题提供了可能。一般地，解决死锁的方法分为死锁的预防，避免，检测与恢复三种（注意：死锁的检测与恢复是一个方法）。我们将在下面分别加以介绍。

死锁的预防是保证系统不进入死锁状态的一种策略。它的基本思想是要求进程申请资源时遵循某种协议，从而打破产生死锁的四个必要条件中的一个或几个，保证系统不会进入死锁状态。

〈1〉打破互斥条件。即允许进程同时访问某些资源。但是，有的资源是不允许被同时访问的，像打印机等等，这是由资源本身的属性所决定的。所以，这种办法并无实用价值。

〈2〉打破不可抢占条件。即允许进程强行从占有者那里夺取某些资源。就是说，当一个进程已占有了某些资源，它又申请新的资源，但不能立即被满足时，它必须释放所占有的全部资源，以后再重新申请。它所释放的资源可以分配给其它进程。这就相当于该进程占有的资源被隐蔽地强占了。这种预防死锁的方法实现起来困难，会降低系统性能。

〈3〉打破占有且申请条件。可以实行资源预先分配策略。即进程在运行前一次性地向系统申请它所需要的全部资源。如果某个进程所需的全部资源得不到满足，则不分配任何资源，此进程暂不运行。只有当系统能够满足当前进程的全部资源需求时，才一次性地将所申请的资源全部分配给该进程。由于运行的进程已占有了它所需的全部资源，所以不会发生占有资源又申请资源的现象，因此不会发生死锁。但是，这种策略也有如下缺点：

（1）在许多情况下，一个进程在执行之前不可能知道它所需要的全部资源。这是由于进程在执行时是动态的，不可预测的；

（2）资源利用率低。无论所分资源何时用到，一个进程只有在占有所需的全部资源后才能执行。即使有些资源最后才被该进程用到一次，但该进程在生存期间却一直占有它们，造成长期占着不用的状况。这显然是一种极大的资源浪费；

（3）降低了进程的并发性。因为资源有限，又加上存在浪费，能分配到所需全部资源的进程个数就必然少了。

（4）打破循环等待条件，实行资源有序分配策略。采用这种策略，即把资源事先分类编号，按号分配，使进程在申请，占用资源时不会形成环路。所有进程对资源的请求必须严格按资源序号递增的顺序提出。进程占用了小号资源，才能申请大号资源，就不会产生环路，从而预防了死锁。这种策略与前面的策略相比，资源的利用率和系统吞吐量都有很大提高，但是也存在以下缺点：

• 限制了进程对资源的请求，同时给系统中所有资源合理编号也是件困难事，并增加了系统开销；

• 为了遵循按编号申请的次序，暂不使用的资源也需要提前申请，从而增加了进程对资源的占用时间。

死锁预防方法汇总

条件	处理方式
互斥	一切使用假脱机技术
占有和等待	在开始就请求全部资源
不可抢占	抢占资源
环路等待	对资源进行编号

死锁的避免

上面我们讲到的死锁预防是排除死锁的静态策略，它使产生死锁的四个必要条件不能同时具备，从而对进程申请资源的活动加以限制，以保证死锁不会发生。下面我们介绍排除死锁的动态策略–死锁的避免，它不限制进程有关申请资源的命令，而是对进程所发出的每一个申请资源命令加以动态地检查，并根据检查结果决定是否进行资源分配。就是说，在资源分配过程中若预测有发生死锁的可能性，则加以避免。这种方法的关键是确定资源分配的安全性。

1.安全序列

我们首先引入安全序列的定义：所谓系统是安全的，是指系统中的所有进程能够按照某一种次序分配资源，并且依次地运行完毕，这种进程序列{P1，P2，…，Pn}就是安全序列。如果存在这样一个安全序列，则系统是安全的；如果系统不存在这样一个安全序列，则系统是不安全的。

安全序列{P1，P2，…，Pn}是这样组成的：若对于每一个进程Pi，它需要的附加资源可以被系统中当前可用资源加上所有进程Pj当前占有资源之和所满足，则{P1，P2，…，Pn}为一个安全序列，这时系统处于安全状态，不会进入死锁状态。 　

虽然存在安全序列时一定不会有死锁发生，但是系统进入不安全状态（四个死锁的必要条件同时发生）也未必会产生死锁。当然，产生死锁后，系统一定处于不安全状态。
2.银行家算法

这是一个著名的避免死锁的算法，是由Dijstra首先提出来并加以解决的。　

[背景知识]

一个银行家如何将一定数目的资金安全地借给若干个客户，使这些客户既能借到钱完成要干的事，同时银行家又能收回全部资金而不至于破产，这就是银行家问题。这个问题同操作系统中资源分配问题十分相似：银行家就像一个操作系统，客户就像运行的进程，银行家的资金就是系统的资源。

[问题的描述]

一个银行家拥有一定数量的资金，有若干个客户要贷款。每个客户须在一开始就声明他所需贷款的总额。若该客户贷款总额不超过银行家的资金总数，银行家可以接收客户的要求。客户贷款是以每次一个资金单位（如1万RMB等）的方式进行的，客户在借满所需的全部单位款额之前可能会等待，但银行家须保证这种等待是有限的，可完成的。

银行家算法是从当前状态出发，逐个按安全序列检查各客户谁能完成其工作，然后假定其完成工作且归还全部贷款，再进而检查下一个能完成工作的客户，……。如果所有客户都能完成工作，则找到一个安全序列，银行家才是安全的。

从上面分析看出，银行家算法允许死锁必要条件中的互斥条件，占有且申请条件，不可抢占条件的存在，这样，它与预防死锁的几种方法相比较，限制条件少了，资源利用程度提高了。

这是该算法的优点。其缺点是：

〈1〉这个算法要求客户数保持固定不变，这在多道程序系统中是难以做到的。

〈2〉这个算法保证所有客户在有限的时间内得到满足，但实时客户要求快速响应，所以要考虑这个因素。
〈3〉由于要寻找一个安全序列，实际上增加了系统的开销。

死锁的检测与恢复

一般来说，由于操作系统有并发，共享以及随机性等特点，通过预防和避免的手段达到排除死锁的目的是很困难的。这需要较大的系统开销，而且不能充分利用资源。为此，一种简便的方法是系统为进程分配资源时，不采取任何限制性措施，但是提供了检测和解脱死锁的手段：能发现死锁并从死锁状态中恢复出来。因此，在
实际的操作系统中往往采用死锁的检测与恢复方法来排除死锁。

1. 死锁检测与恢复是指系统设有专门的机构，当死锁发生时，该机构能够检测到死锁发生的位置和原因，并能通过外力破坏死锁发生的必要条件，从而使得并发进程从死锁状态中恢复出来。

2. .死锁的恢复

   一旦在死锁检测时发现了死锁，就要消除死锁，使系统从死锁状态中恢复过来。

   （1）最简单，最常用的方法就是进行系统的重新启动，不过这种方法代价很大，它意味着在这之前所有的进程已经完成的计算工作都将付之东流，包括参与死锁的那些进程，以及未参与死锁的进程。

   （2）杀死进程，剥夺资源。终止参与死锁的进程，收回它们占有的资源，从而解除死锁。这时又分两种情况：一次性撤消参与死锁的全部进程，剥夺全部资源；或者逐步撤消参与死锁的进程，逐步收回死锁进程占有的资源。一般来说，选择逐步撤消的进程时要按照一定的原则进行，目的是撤消那些代价最小的进程，比如按进程的优先级确定进程的代价；考虑进程运行时的代价和与此进程相关的外部作业的代价等因素。